本文關(guān)鍵詞：基于氣泡行為的缸蓋沸騰冷卻應(yīng)用研究

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【摘要】：沸騰冷卻具有傳熱效率高、冷卻系統(tǒng)體積小等優(yōu)勢，將其應(yīng)用于缸蓋冷卻水腔可以有效解決缸蓋熱負(fù)荷高的難題，滿足現(xiàn)代高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。針對缸蓋沸騰冷卻應(yīng)用存在的諸多問題，本文從氣泡行為角度出發(fā)，利用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值模擬等手段對缸蓋沸騰冷卻機(jī)理與應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，主要研究內(nèi)容如下： 針對缸蓋沸騰傳熱特點(diǎn)，搭建了用于觀測氣泡行為的沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過實(shí)驗(yàn)研究，建立了氣泡等待周期與脫離頻率及表面熱流間的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式、驗(yàn)證了氣泡脫離直徑預(yù)測模型的預(yù)測精度。通過氣泡行為的可視化觀察以及熱流等參數(shù)的測量研究，從氣泡行為角度闡述了沸騰傳熱的機(jī)理、解釋了沸騰傳熱規(guī)律變化的內(nèi)在原因：沸騰各個(gè)階段傳熱狀態(tài)是沸騰氣泡脫離行為誘發(fā)的“表面淬火”效應(yīng)及氣泡附著生長行為誘發(fā)的“熱流阻隔”效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。 對氣泡消失、氣泡聚合、鼻梁區(qū)冷卻設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了深入研究，并據(jù)此提出了缸蓋沸騰應(yīng)用可行域及控制策略�；趯�(shí)驗(yàn)觀測到的沸騰氣泡表面變形規(guī)律，建立了更為精確的氣泡消失數(shù)學(xué)模型；考慮鼻梁區(qū)特殊受熱狀態(tài)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從沸騰換熱效率及氣泡能在缸蓋內(nèi)快速消失的角度，研究確定了沸騰控制上限為氣泡排除控制線：StControl=89×Pe-0.74，進(jìn)而明確了有效利用沸騰冷卻的可行域，即沸騰起始線與沸騰控制上限之間的區(qū)域，并據(jù)此建立了缸蓋鼻梁區(qū)沸騰冷卻參數(shù)強(qiáng)化設(shè)計(jì)流程。 對缸蓋沸騰壓力波動(dòng)監(jiān)測信號進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，比較了部分發(fā)展沸騰狀態(tài)、充分發(fā)展沸騰狀態(tài)、危險(xiǎn)沸騰狀態(tài)下的壓力波動(dòng)信號差異，得到危險(xiǎn)沸騰狀態(tài)下的壓力信號呈脈動(dòng)大且信號極不規(guī)則的特征；分析了沸騰壓力波動(dòng)信號與氣泡行為之間的關(guān)系，得到壓力頻譜信號中最大功率譜密度對應(yīng)頻率與氣泡簇行為頻率一致，均低于300Hz；據(jù)此從兩傳感器平均互相關(guān)系數(shù)及頻域信號角度提出了兩種危險(xiǎn)沸騰狀態(tài)的壓力信號甄別方法：1）20-500Hz頻段內(nèi)兩傳感器的平均互相關(guān)系數(shù)小于0.82；2）400-500Hz頻段內(nèi)的最大功率譜密度值大于2×10-3(kPa)2/Hz。 由于氣泡脫離直徑、沸騰相變條件會(huì)隨著沸騰狀態(tài)的改變而發(fā)生變化，而利用歐拉多相流計(jì)算模型計(jì)算沸騰狀態(tài)需要?dú)馀萜骄睆胶头序v相變判定條件；本文在氣泡脫離直徑、沸騰相變條件與沸騰狀態(tài)關(guān)系以及氣泡平均直徑與氣泡脫離直徑關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，建立了考慮氣泡影響的多相流數(shù)值模擬迭代計(jì)算方法。并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對多相流數(shù)值模擬迭代計(jì)算方法的計(jì)算精度進(jìn)行了校核。 結(jié)合前面研究成果，建立了缸蓋沸騰換熱設(shè)計(jì)流程，并以1015為原型機(jī)，完成了針對沸騰冷卻應(yīng)用的冷卻參數(shù)重新設(shè)計(jì)：基于缸蓋反向冷卻方式，冷卻入口溫度確定為91℃，入口流速確定為2m/s。與原型機(jī)相比，重新設(shè)計(jì)的缸蓋溫度場分布更加均勻，，最高溫度降低了7K，最低溫度升高了4.5K，而流量降低了約40%。
【關(guān)鍵詞】：高強(qiáng)化柴油機(jī) 缸蓋 沸騰冷卻 氣泡行為 壓力波動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK401
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 變量表13-16
• 圖目錄16-19
• 表目錄19-20
• 第1章 緒論20-42
• 1.1 選題的背景、目的和意義20-21
• 1.2 沸騰傳熱研究進(jìn)展21-31
• 1.2.1 沸騰傳熱介紹21-23
• 1.2.2 沸騰傳熱理論模型研究進(jìn)展23-26
• 1.2.3 沸騰特征點(diǎn)預(yù)測研究進(jìn)展26-28
• 1.2.4 沸騰傳熱數(shù)值模擬研究進(jìn)展28-31
• 1.3 缸蓋沸騰應(yīng)用研究31-37
• 1.3.1 缸蓋沸騰冷卻應(yīng)用研究進(jìn)展31-33
• 1.3.2 缸蓋沸騰應(yīng)用主要問題研究33-35
• 1.3.3 缸蓋沸騰冷卻應(yīng)用前景35-37
• 1.4 氣泡行為研究概述37-39
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容39-42
• 第2章 缸蓋沸騰氣泡行為研究42-62
• 2.1 沸騰換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)42-45
• 2.1.1 沸騰氣泡行為觀測實(shí)驗(yàn)件44
• 2.1.2 沸騰測試系統(tǒng)44-45
• 2.2 氣泡生長階段行為45-48
• 2.2.1 沸騰氣泡核化條件45
• 2.2.2 氣泡等待周期45-47
• 2.2.3 氣泡生長模型47-48
• 2.3 氣泡脫離階段行為48-52
• 2.3.1 氣泡脫離直徑預(yù)測模型48-50
• 2.3.2 氣泡脫離直徑影響因素分析50-51
• 2.3.3 氣泡脫離直徑預(yù)測模型實(shí)驗(yàn)對比分析51-52
• 2.4 氣泡行為與沸騰傳熱機(jī)理研究52-60
• 2.4.1 基于氣泡行為的沸騰曲線解釋52-53
• 2.4.2 氣泡行為觀測實(shí)驗(yàn)研究53-55
• 2.4.3 氣泡滑移現(xiàn)象淺析55-56
• 2.4.4 基于氣泡行為的沸騰傳熱機(jī)理闡釋56-58
• 2.4.5 流動(dòng)參數(shù)對沸騰傳熱的影響58-60
• 2.5 本章小結(jié)60-62
• 第3章 缸蓋沸騰應(yīng)用可行域研究62-80
• 3.1 柴油機(jī)沸騰整體控制要求62
• 3.2 氣泡消失控制要求62-70
• 3.2.1 氣泡消失研究概述63
• 3.2.2 氣泡消失可視化試驗(yàn)研究63-66
• 3.2.3 沸騰氣泡消失數(shù)學(xué)模型66-69
• 3.2.4 缸蓋沸騰氣泡消失控制69-70
• 3.3 氣泡聚合抑制要求70-72
• 3.4 缸蓋沸騰冷卻應(yīng)用參數(shù)設(shè)計(jì)72-78
• 3.4.1 缸蓋沸騰冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究73-75
• 3.4.2 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)要求75
• 3.4.3 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰冷卻可行域75-76
• 3.4.4 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰冷卻可行域分析76-77
• 3.4.5 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰可行域適用性分析77-78
• 3.4.6 缸蓋鼻梁區(qū)沸騰參數(shù)強(qiáng)化設(shè)計(jì)流程78
• 3.5 本章小結(jié)78-80
• 第4章 缸蓋沸騰冷卻監(jiān)測方法80-102
• 4.1 缸蓋沸騰應(yīng)用監(jiān)測方法簡述80-81
• 4.1.1 溫度監(jiān)控80-81
• 4.1.2 壓力監(jiān)控81
• 4.2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹81-84
• 4.2.1 試驗(yàn)傳感器介紹81-82
• 4.2.2 其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)82
• 4.2.3 壓力數(shù)據(jù)分析方法82
• 4.2.4 沸騰壓力信號監(jiān)測頻段確定82-84
• 4.3 沸騰監(jiān)測方法試驗(yàn)研究84-96
• 4.3.1 氣泡行為引起的壓力波動(dòng)分析84-85
• 4.3.2 沸騰壓力波動(dòng)信號分析85-90
• 4.3.3 沸騰壓力波動(dòng)信號與氣泡行為的關(guān)系90-93
• 4.3.4 沸騰壓力波動(dòng)信號影響因素分析93-95
• 4.3.5 傳感器安裝位置對監(jiān)測信號的影響95-96
• 4.4 沸騰監(jiān)測點(diǎn)的確定96-100
• 4.5 本章小結(jié)100-102
• 第5章 缸蓋沸騰多相流數(shù)值模擬102-122
• 5.1 歐拉多相流數(shù)值計(jì)算模型介紹102-103
• 5.2 歐拉多相流數(shù)值計(jì)算模型框架103-107
• 5.2.1 兩相動(dòng)力學(xué)模型103
• 5.2.2 相間動(dòng)量傳遞模型103-104
• 5.2.3 相間質(zhì)量傳遞模型104-105
• 5.2.4 熱流傳遞模型105-107
• 5.3 歐拉多相流數(shù)值計(jì)算模型修正107-110
• 5.3.1 沸騰相變判定條件107
• 5.3.2 沸騰氣泡平均直徑107-108
• 5.3.3 歐拉多相流數(shù)值模擬流程108-110
• 5.4 歐拉多相流數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證110-111
• 5.5 缸蓋溫度場數(shù)值計(jì)算分析111-120
• 5.5.1 缸蓋溫度場計(jì)算模型參數(shù)111-115
• 5.5.2 缸蓋沸騰溫度場計(jì)算結(jié)果分析115-116
• 5.5.3 歐拉多相流計(jì)算模型優(yōu)勢分析116-117
• 5.5.4 歐拉多相流數(shù)值模擬方法優(yōu)勢分析117-119
• 5.5.5 缸蓋沸騰傳熱影響因素分析119-120
• 5.6 本章小結(jié)120-122
• 第6章 新型缸蓋沸騰冷卻應(yīng)用設(shè)計(jì)122-128
• 6.1 缸蓋沸騰換熱設(shè)計(jì)要求122
• 6.2 缸蓋沸騰換熱設(shè)計(jì)流程122-126
• 6.2.1 缸蓋沸騰冷卻總體參數(shù)的設(shè)計(jì)122-123
• 6.2.2 缸蓋沸騰冷卻水流方案的設(shè)計(jì)123-125
• 6.2.3 缸蓋沸騰冷卻參數(shù)的設(shè)計(jì)125-126
• 6.3 缸蓋沸騰冷卻設(shè)計(jì)結(jié)果校核126-127
• 6.4 本章小結(jié)127-128
• 結(jié)論與展望128-133
• 主要結(jié)論128-131
• 本文的創(chuàng)新之處131
• 對今后工作的展望131-133
• 參考文獻(xiàn)133-143
• 在讀博士期間發(fā)表論文與研究成果143-144
• 致謝144-145
• 作者簡介145

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1103980